3 Phosphate
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Abbau von Molekülen Zusammenfassung / Stoffsammlung für den Schwerpunkt Bio-Chemie Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 Aeneas Wiener Inhalt 1 Eiweisse ----------------------------------------------------------------- 3 1.1 Darstellung (Erinnerung) ---------------------------------------------------- 4 1.2 Der Ubiquitin-vermittelte Proteinabbau ---------------------------------- 4 1.3 Auswirkungen des Eiweissabbaus ----------------------------------------- 5 1.4 Quellen ------------------------------------------------------------------------- 5 2 FCKW ------------------------------------------------------------------- 6 2.1 Schema ------------------------------------------------------------------------- 6 2.2 Reaktionen--------------------------------------------------------------------- 7 2.3 Quelle--------------------------------------------------------------------------- 7 3 Phosphate --------------------------------------------------------------- 7 3.1 Gewinnung -------------------------------------------------------------------- 7 3.2 Verwendung ------------------------------------------------------------------- 8 3.3 Eigenschaften ----------------------------------------------------------------- 8 3.4 Bedeutung in der Biochemie ------------------------------------------------ 8 3.5 Aufbau der DNA -------------------------------------------------------------- 9 3.6 Quellen: -----------------------------------------------------------------------11 4 Kohlenstoffe ------------------------------------------------------------ 11 4.1 Mitochondrien ----------------------------------------------------------------11 4.2 ATP-----------------------------------------------------------------------------13 2 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 4.2.1 ATP als Energieträger ----------------------------------------------------13 4.2.2 ATP als Cosubstrat (Coenzym) -----------------------------------------13 4.2.3 Regeneration des ATP ----------------------------------------------------14 4.2.4 ATP-Konzentrationen ----------------------------------------------------15 Beilagen: 1. Zusammenfassung Aminosäuren und Proteine 2: Zusammenfassung Verdauung 1 Eiweisse Der Nobelpreis für Chemie 2004 ging an die zwei Israelis Avram Hershko und Aaron Ciechanover sowie an ihren amerikanischen Forschungskumpel Irwin Rose. Die drei forscher entwickelten eine Theorie über den Eiweissabbau im Körper. Proteine haben viele verschiedene lebenswichtige Aufgaben. Sie wirken als Katalysatoren (Enzyme), als Botenstoffe (Hormone), als Abwehrzellen des Immunsystems und Strukturproteine in Zellen. Ihre Synthese war bereits gut erforscht (Proteinsynthese: D N A Translation in R N A, R N A an den Ribosomen Translation in Eiweiss) nun haben die 3 Nobelpreisträger auch noch das Geheimnis über die Funktion des „Eiweissschredders“ gelüftet, der die Eiweisse nach gebrauch wieder in ihre Teile zerlegt. Eiweisse überleben zwischen wenigen Sekunden (Botenstoffe) und bis zu 100 Tagen (Hemoglobin). 3 / 15 Aeneas Wiener 1.1 Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 Darstellung (Erinnerung) Eiweisse entstehtn durch Polykondensation von Aminosäuren: Reagiert zu: Und Wasser. Die sich wiederholende Einheit. Vgl. ZF Aminosäuren! 1.2 Der Ubiquitin-vermittelte Proteinabbau Die nicht mehr gebrauchten Proteine werden durch das Polypeptid Ubiquitin1 (76 Aminosäuren lang / siehe Abbildung) markiert. Diese Markierung des Substrats durch Ubiquitin wurde vom Nobelpreiskomitee als „kiss of death“ bezeichnet, da sie zur entgültigen Zerstörung des Proteins in einem Proteasom führen. Dabei wird das Protein in seine Bestandteile zerlegt und die Ubiquitin-Moleküle werden wieder freigesetzt. Jede einzelne Zelle besitzt etwa 30'000 derartige Proteasome und dort werden nicht nur alte, sondern auch fehlerhaft produzierte Proteine „geschreddert“. (ca. ein Drittel aller hergestellten Proteine sind defekt). 1 Kommt vom lateinischen „ubique“ = „überall“, da Ubiquitin in allen Zellen gefunden wurde 4 / 15 Aeneas Wiener 1.3 Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 Auswirkungen des Eiweissabbaus Bei der Meiose werden die Chromosomen übereinander gelegt und durch Eiweisse zusammengebunden. Wenn nun die Zerstörung dieser Eiweissumklammerung nicht rechtzeitig stattfindet, kann es zu einer fehlerhaften Zellteilung und damit zu Falschen Chromosomensätzen (Trisomie 21 etc.) kommen. Die Kenntnis über den gezielten Eiweissabbaus verspricht eine bessere Erforschbarkeit solcher Probleme. Das p53-Wächtersystem ist zentral bei Krebserkrankungen. In jeder gesunden Zelle werden ständig p53-Proteine produziert und gleich wieder geschreddert. Dadurch hält die Zelle sich warm für den Fall einer Beschädigung des Erbguts. Kommt es zu einer solchen Beschädigung (z.B. durch Strahlung), werden sofort p53-Proteine freigesetzt, welche dann die Reparatur des Erbguts auslösen. Gelingt dies nicht, wird durch eine erneute Produktion von sehr vielen p53-Molekülen der Selbstmord der Zelle ausgelöst. Das klingt radikal, ist jedoch überlebenswichtig. Es wird vermutet, dass ein Fehler im p53Wächtersystem in 50% aller Krebserkrankungen eine zentrale Rolle spielt. 1.4 Quellen Flashfilm: http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html Artikel aus Die Zeit: http://www.zeit.de/2004/42/nobelpreis_chemie 5 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 Nobelpreiskomitee: http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html Proteasome: http://www.uni-stuttgart.de/ibc/wolf/proteasome_deutsch.html 2 FCKW 2.1 Schema Die meisten künstlich hergestellten Verbindungen werden nach wenigen Wochen abgebaut. Entweder durch solare Strahlung (Photolyse), durch Reaktion mit Hydroxyl-Radikalen bzw. Ozon oder sie lösen sich in Wasser und werden durch Regen aus der Atmosphäre „ausgewaschen“. Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKWs) waren früher in Kühlmitteln enthalten. Sind jedoch durchsicht, wasserunlöslich und unreaktiv bezüglich den atmosphärischen Substanzen, damit werden sie von keinem der natürlichen Reinigungssysteme erfasst und überdauern damit zwischen 50 und 100 Jahre. Die FCKWs bleiben nun so lange in der Troposphäre, bis sie am Äquator angekommen sind und dort über vertikale Winde (ITC) die Stratosphäre erreichen. In der Stratosphäre reicht die Strahlung aus, um die FCKWs zu zerteilen, wodurch Chlorradikale frei werden (lösen Ozonabbau aus). 6 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 2.2 Reaktionen Cl + O3 ClO + O2 O3 + hO2 + O ClO + O Cl + O2 2.3 Quelle Dissertation: http://www.diss.fu-berlin.de/2001/94/indexe.html 3 Phosphate Als Phosphate bezeichnet man die Salze der Phosphorsäuren. Meistens sind die Salze der ortho-Phosphorsäure (H3PO4) gemeint. z.B. Natriumphosphat Na3PO4, Kaliumphosphat und Calciumphosphat. Durch die teilweise Neutralisation der Phosphorsäure erhält man Hydrogenoder Dihydrogenphosphate. Diese können sowohl mit Säuren als auch mit Laugen reagieren. Wegen dieser Eigenschaft enthalten viele Pufferlösungen Hydrogenphosphate. Beispiele: NaH2PO4 Natriumdihydrogenphosphat Na2HPO4 Dinatriumhydrogenphosphat Na3PO4 Trinatriumphosphat 3.1 Gewinnung Phosphate werden aus Erzen gewonnen (z. B. Apatit, Ca5 (PO4)3F). Die Hauptvorkommen liegen auf der Pazifikinsel Nauru (höchste Konzentration; "Nauruit") sowie im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara). 7 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 3.2 Verwendung Die Hauptmenge der Phosphate kommt als Dünger zum Einsatz. Weitere Verwendungzwecke sind Wasserenthärter, Waschmittel und Ausgangsstoff für weitere Phosphorverbindungen. Phosphate spielen auch bei der Lebensmittelherstellung (vor allem in der Fleischindustrie) eine sehr große Rolle. 3.3 Eigenschaften Die meisten Phosphate, mit Ausnahme der von Natrium, Kalium und Ammonium, sind schlecht wasserlöslich. 3.4 Bedeutung in der Biochemie Phosphate bzw. Phosphatreste spielen eine wichtige Rolle in der Biochemie. Sie sind beteiligt am Aufbau biologisch höchst bedeutsamer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure und des Adenosintriphosphats. Phosphatreste sorgen dafür, dass viele biologisch wichtige Moleküle energetisch "aufgeladen" werden. Hier treten auch Tri- und Diphosphate auf. Wichtig in der Biochemie ist auch das Phosphat als molekularer Schalter an Proteinen. Sie steuern einen großen Teil der Proteinregulation. Übertragen werden sie hier von der großen Klasse der Proteinkinasen, wieder abgespalten von Proteinphosphatasen. 8 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 3.5 Aufbau der DNA Die Desoxyribonukleinsäure ist ein langes Polymer, also eine Kette von Einzelbausteinen, den Desoxyribonucleotiden. Es gibt vier verschiedene dieser Bausteine, jedes Nucleotid ist eine Verbindung aus dem Zucker Desoxyribose, einer heterocyclischen Nucleobase (Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin) und einem Phosphorsäure-Molekül. Die 5 Kohlenstoffatome einer Desoxyribose sind von 1' bis 5' nummeriert. Bei jedem in der DNA vorkommenden Nucleotid sitzt am 5'-Ende der Desoxyribose ein Phosphatrest, am 3'-Ende eine OH-Gruppe. Letztere reagiert bei der Verknüpfung der Nucleotide unter Wasserabspaltung mit der Phosphatgruppe des jeweils nächsten Nucleotids (s. u.). Nach dem Modell von Watson und Crick ist die DNA insgesamt aus zwei gegenläufigen DNA-Einzelsträngen aufgebaut, die je ein 5'-Ende mit einer Phosphat-Gruppe und ein 3'-Ende mit einer OH-Gruppe besitzen. Die DNA besitzt eine Strickleiter-Struktur, bei der die zwei Holme der Leiter um eine gedachte Achse schraubenförmig gewunden sind (Doppelhelixstruktur). Die beiden Holme der Strickleiter werden aus Hunderttausenden sich abwechselnder Zucker- (Desoxyribose-) und Phosphat-Bausteine gebildet, die innerhalb jedes DNA-Einzelstrangs (Holms) über feste Atombindungen miteinander verknüpft sind. Die Sprossen der Strickleiter bestehen aus je zwei 9 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 organischen Basen (einem so genannten Basenpaar), die über Wasserstoffbrücken (schwächere Bindungskräfte) miteinander verbunden sind und so dafür sorgen, dass die beiden Holme auch im schraubenförmigen Zustand der Strickleiter verknüpft bleiben und im gleichen Abstand nebeneinander liegen. Insgesamt gibt es in der DNA vier verschiedene organische Basen: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, die mit den Anfangsbuchstaben A, T, G und C abgekürzt werden. Die Basenpaare werden von den jeweils komplementären Basen Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin gebildet. Zwischen Adenin und Thymin bilden sich dabei zwei Wasserstoffbrücken aus; Cytosin und Guanin sind über drei Wasserstoffbrücken miteinander verknüpft. Das Riesenmolekül DNA ist demzufolge aus einer Vielzahl von vier verschiedenen Nukleotiden "zusammengesteckt", die in einem DNA-Einzelstrang in beliebiger Reihenfolge aneinander gebunden werden können und sich dadurch unterscheiden, dass sie jeweils nur eine von vier möglichen organischen Basen enthalten. Jeweils drei solcher Basen, wie sie in einem DNA-Einzelstrang direkt hintereinander liegen, bilden ein so genanntes Basentriplett. Jedes Basentriplett steht für eine von 20 Aminosäuren, aus denen die Proteine aufgebaut sind. Die Reihenfolge der Basen - und damit der Basentripletts bestimmt also die Reihenfolge der Aminosäuren in den Proteinen. Dadurch wird der Aufbau der Proteine mit Hilfe der Basensequenz innerhalb der DNA beschrieben. Die Basenabfolge (Basensequenz) eines Genabschnitts der DNA wird bei der Proteinbiosynthese zunächst durch die Transkription in die komplementäre Basensequenz der m-RNA-Moleküle überschrieben. Die von der mRNA übermittelte Information wird dann durch Translation am Ribosom in 10 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 die Abfolge der Aminosäuren (Aminosäuresequenz) einer Polypeptidkette übersetzt. 3.6 Quellen: http://de.wikipedia.org/wiki/Desoxyribonukleins%C3%A4ure http://de.wikipedia.org/wiki/Phosphat 4 Kohlenstoffe 4.1 Mitochondrien Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran (Hülle) umschlossenes Organell, das als "Kraftwerk" der eukaryontischen Zelle fungiert. Die Hauptfunktion des Mitochondriums ist es, im Rahmen der Zellatmung unter Sauerstoff-Verbrauch ATP, die universelle Energiewährung der Zelle, herzustellen. Mitochondrien kommen verteilt im Cytosol der meisten Eukaryoten vor. Ihre Größe beträgt meist etwa 1 bis 10µm in der Länge. Besonders viele Mitochondrien finden sich in Zellen, die viel Energie verbrauchen (z.B. Muskelzellen, Nervenzellen, Sinneszellen, Eizellen). Bis vor kurzem nahm man an, dass Mitochodrien über das Plasma der Eizelle nur von der Mutter vererbt werden, was Anlass zur Erforschung mütterlicher Verwandtschaftslinien gab. Doch hat sich mittlerweile herausgestellt, dass auch bei der Befruchtung durch das Spermium einige männliche Mitochondrien in das Plasma der befruchteten Eizelle (Zygote) importiert werden. Der Transport von Proteinen in die Mitochondrien erfolgt über die äußere Membran durch den TOM-Komplex (Translocase of outer mitochondrial 11 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 membrane) und über die innere Membran durch den TIM-Komplex (Translocase of inner mitochondrial membrane) und beinhaltet die Funktion von Chaperonen, besonders Hsp70. Durch eine defekte Mitochondrien-Funktion (Mitochondriopathien) können Krankheiten hervorgerufen werden. Mitochondrien vermehren sich durch Teilung, wobei die Anzahl der Mitochondrien einer Zelle deren Energiebedarf angepasst werden kann. Eine eukaryotische Zelle, die alle ihre Mitochondrien verliert, ist nicht in der Lage diese zu regenerieren. Atmungskette: Dabei wird mit Hilfe von Elektronen-Transportvorgängen und durch Anreicherung von Wasserstoffionen ein elektrochemischer Gradient aufgebaut, der dazu dient, mittels spezieller, in die innere Membran eingebundener Enzyme (ATPasen), ATP herzustellen (siehe chemiosmotische Kopplung). Die zur Herstellung des Gradienten benötigten Elektronen und Wasserstoffatome werden durch oxidativen Abbau aus den vom Organismus aufgenommenen Nährstoffen (z.B. Glucose) gewonnen. Zunächst läuft im Cytoplasma die Glykolyse ab, diese mündet nach oxidativer Decarboxylierung von Pyruvat in den Acetyl-CoA-Pool. Eine andere Quelle des Acetyl-CoA ist der Fettsäureabbau, so dass sich hier katabole Wege vereinigen. Aus AcetylCoA wird im Krebs-Zyklus (Citrat-Zyklus, Tricarbonsäure-Zyklus) in der Mitochondrien-Matrix der überwiegende Teil der Reduktionsäquivalente (NADH,H+, FADH2, Succinat) gewonnen, die dann in der Mitochondrienmembran innerhalb der Atmungskette bzw. im Q-Zyklus in Zellenergie (ATP) umgewandelt werden. 12 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 4.2 ATP 4.2.1 ATP als Energieträger Da für die meisten in Zellen ablaufenden Reaktionen Energie benötigt wird, muss diese in irgend einer Form bereitgestellt werden. Dies geschieht über das Molekül ATP. Die Bindungen der drei Phosphatreste sind sehr energiereiche chemische Bindungen. Die Phosphate sind über so genannte Phosphoanhydrid-Bindungen miteinander verbunden. Werden diese Bindungen enzymatisch gespalten, entsteht das Adenosindiphosphat (ADP) bzw. das Adenosinmonophosphat (AMP). Dabei werden jeweils etwa 30kJ/mol Energie frei. Dieser freiwerdende Energiebetrag ermöglicht überlebenswichtige Stoffwechselreaktionen in den Zellen. Als Energiequelle wird ATP für die grundlegendsten Stoffwechselprozesse aller Organismen genutzt: In pflanzlichen und tierischen Zellen liefert es die Energie für die Synthese von organischen Molekülen. Es spielt aber eine ebenso große Rolle bei aktiven Transportprozessen in den Zellen und durch Biomembranen hindurch sowie bei der Muskelkontraktion. 4.2.2 ATP als Cosubstrat (Coenzym) ATP ist ein Substrat der Kinasen, d.h. einer Gruppe von Phosphatübertragenden Enzymen, die im Metabolismus und bei der Stoffwechselregulation eine Schlüsselrolle spielen. Bedeutende Mitglieder der 13 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 letzteren Gruppe sind die Proteinkinasen, die je nach ihrem Aktivierungsmechanismus als Proteinkinase A (PKA, cAMP-abhängig), Proteinkinase C (PKC, Calcium-abhängig), Calmodulin-abhängige Kinase, oder Insulin-stimulierte Proteinkinase (ISPK) bezeichnet werden, um nur einige Beispiele zu nennen. Unter Blutzucker werden einige Grundprinzipien angesprochen, nach denen eine Serie von Kinasen zu einer Enzymkaskade zusammengeschaltet sein kann. 4.2.3 Regeneration des ATP Aus dem entstandenen AMP bzw. ADP regeneriert die Zelle das ATP in den Mitochondrien mittels dem Enzym ATP-Synthase. Dazu werden erneut anorganische Phosphatreste an das AMP bzw. ADP gebunden. Um den hohen Energiebedarf für diesen Bindungstyp zu erlangen gibt es verschiedene Möglichkeiten: Bei der Photosynthese der Pflanzen wird das ATP unter Verwendung der Energie aus Sonnenlicht im Rahmen der so genannten Photophosphorylierung regeneriert. Im tierischen Organismus wird die im Traubenzucker steckende Energie durch Abbauprozesse während der Zellatmung freigesetzt und zum Aufbau der energiereichen Bindung verwendet. In allen Sauerstoffatmenden Organismen durch die oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien (siehe auch Atmungskette. Dabei wird Energie hauptsächlich aus dem Abbau von Kohlenhydraten und Fetten, aber auch Aminosäuren mithilfe von Sauerstoff (aus der Luft, deshalb müssen wir atmen) oxidiert („verbrannt“). In geringerem Mass durch die Glykolyse im Cytoplasma der meisten Zellen 14 / 15 Aeneas Wiener Biologischer Abbau von Molekülen 13. Mai 2016 Desweiteren gibt es Organismen, welche z.B. Wasserstoff veratmen (Energie aus Knallgas-Reaktion) oder ihre Energie aus Konzentrations- oder pH-Differenzen zwischen Umgebung und Zellinnerem gewinnen. Allen gemeinsam ist jedoch, dass sie die Energie als ATP speichern. 4.2.4 ATP-Konzentrationen In der Zelle ist die ATP-Konzentration eine Regelgröße: Absinken unter einen Schwellenwert (4-5 mM) aktiviert energieliefernde Reaktionen (siehe Phosphofructokinase); Übersteigen des Schwellenwertes bewirkt Energiespeicherung, z.B. durch Bildung von Kreatin-Phosphat als schnell verfügbaren (ATP-liefernden) Speicher im Muskel; Aufbau von Glykogen als „Energiepolster“ in der Leber. Kohlenhydrat- und Proteinspeicher sind allerdings limitiert; weiterer Energieüberschuss führt (über Acetyl-CoA) zum Ausbau des Fettspeichers. Bei einem durchschnittlichen erwachsenen Menschen entspricht die Menge ATP, die täglich in seinem Körper auf- und wieder abgebaut wird, in etwa seinem Körpergewicht. Der ATP-Durchsatz ist also sehr hoch: Er kann bei intensiver Arbeit auf Werte von 0,5 kg pro Minute (!) ansteigen. 15 / 15
